ASPECTOS BÁSICOS DE LA INGENIERÍA DE BIORREACTORES

BiorreactorEs un dispositivo o un recipiente utilizado

para llevar a cabo una reacción bioquímica, la cual consiste en convertir algún sustrato en

algunos productos.

Cultivos Iniciadores Inoculo

Ejemplos

Producción de Biomasa

Levadura

Proteína de seres unicelulares

Tratamiento de desechos

Biocatalizadores

Producción de metabolitos

EtanolAminoácidosAntibióticos

Ácidos orgánicos

EnzimasMicroorganismos

Diseño de Biorreactores

El biorreactor es el corazón de un bioproceso

Está basado en principios científicos y de ingeniería y en muchas reglas empíricas (Heurística)

Aspectos a tener en cuenta:

Modos de operación

Configuración del biorreactor

Tamaño del biorreactor

Condiciones del proceso en el biorreactor

Otros (Costos, materiales y operación aséptica)

Diseño de biorreactores

Cinética Balances de masa y energía Transferencia de masa y calor Mezclado Actividad microbiológica y metabolismo Capacidad Costos Otros

Tipos de Biorreactores

Reactor de Tanque Agitado (CSTR o FSTR) Reactor de columna de burbujas Reactor de tiro o de corriente de aire Reactor fluidizado Reactor de lecho empacado Fotorreactores Otros.

Biorreactores de tanque agitado y columna de burbujas

Tanques agitados columna de burbujas

Reactor de tiro o de corriente de aire

Reactor Fluidizado y de lecho empacado

Operación aséptica

Aséptico: libre de microorganismos patógenos.

En la Industria Operación séptica Operación semiaséptica Operación aséptica

Esterilización

3-5% fermentaciones Se pierden por

Fallos en laesterilización

Otros

Materiales de construcción (30L-250m3) <20L vidrio Escala piloto y gran escala acero inoxidable Acero dulce recubierto de acero inoxidable Soldadura pulida Evitar Cu o materiales que lo contenga

Costos

Costos Determinantes

Diseño Biorreactores

Diseño

Operacional

Mecánico

Diseño operacional

Modos de operación

DiscontinuoContinuoSemicontinuo

Modos de operación ventajas y desventajas

Ventajas Simplicidad de uso y operación (hasta

24h, dependiendo del microorganismo).

Mayor seguridad. Empleo de menos instrumentación por corrida.

Permite la producción de metabolitos secundarios, estos, no están relacionados con el crecimiento (Fase estacionaria)

Bajas posibilidades de contaminación (Esterilización antes de cada corrida)

Trazabilidad, osea permite conocer la historia de cada producto.

Desventajas Envejecimiento del cultivo, esto puede

traer problemas con los productos relacionados al crecimiento.

Limitación de concentración inicial de sustrato (efectos de inhibición)

Posible formación de productos tóxicos (inhibición por producto)

Largos períodos de tiempo no productivo

Fisiologicamente sistema altamente variables

Autólisis celular, liberación de los productos de degradación autolítico.

Operación discontinua

Operación semicontinua

Ventajas Permite controlar la concentración de

sustrato limitante.

Es posible alcanzar altas densidades celulares.

Aumento de la producción de metabolitos no asociados al crecimiento.

Adición de precursores

Reducción de la viscosidad del caldo (fermentación realizada por hongos filamentosos).

Menor viscosidad, mayor aireación y menor agitación.

Desventajas Mayor conocimiento del crecimiento

del microorganismo (metabolismo y microbiología).

Instrumentación especializada (preferiblemente sensores en tiempo real)

Requiere de sistemas de control para evitar desajustes entre la tasa de dilución y el metabolismo.

Capacitación del personal para la operación del proceso.

Operación continua

Ventajas Puede controlarse la velocidad de

crecimiento y mantener constante las concentraciones.

Permite realizar estudios de los factores ambientales que afectan al cultivo (determinación de parámetros cinéticos y estequiométricos).

Mayor productividad volumétrica

A menudo, se puede mantener la producción simultánea de metabolitos secundarios con el crecimiento celular.

Permite el uso de cultivos mixtos.

Desventajas Productos que requieren trazabilidad

(producto farmacéuticos o de química fina)

No siempre puede producirse metabolitos no asociados al crecimiento.

El crecimiento continuo por largos períodos de tiempo puede causar perdida de la cepa original y problemas de contaminación.

Equipos y personal de alta calidad y confiabilidad.

Dificultad en hongos filamentosos debido a la viscosidad y naturaleza heterogénea.

Utilidad del balance de energía

Tanques agitados y columna de burbujas

Balance de energía

−Δ H rx−M vΔ hV−Q+W=∂mE∂ t

Q=U∗AΔ T m

1U∗A

=1hh A

+B

K∗A+

1hc A

+1

h fhA+

1h fc A

Δ T m=2T f−(T 1+ T 2)

2

Cuando un fluido se mantiene a T constanteTf: Temperatura del caldo de cultivoT1 y T2 Temperatura entrada y salida del fluido de calentamiento o enfriamiento

Q=m∗C pΔ (T 2−T 1)

Para el fluido de intercambio de calor

Configuración de biorreactores

Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección en fermentadores

Nu=h∗DK fb

;ℜ=D∗v∗ρ

μb;ℜi=

N i∗Di2∗ρ

μb; Pr=

C p∗μb

K fb

;Gr=D3

∗g∗ρ2∗β∗Δ T

μb2

h: coeficiente de transferencia de calor por convecciónD: diámetro de la tubería o del tanqueKfb: conductividad térmica del fluido

V: velocidad del fluidoρ: densidad media del fluido

μb: viscosidad del fluidoNi: velocidad de giro del rodete

Cp: calor específico medio del fluidog: aceleración de la gravedad

β: coeficiente de expansión térmica del fluido

Correlaciones empírica para Nu

Nu=a∗ℜb∗Pr c∗(μbμw )

0,14

Correlaciones Nu

Configuración del biorreactor

Correlación Intervalos

Tanques agitados con serpentines

Fluido de refrigeración Newtonianoμw viscosidad del caldo en la pared

Tanques agitados con camisa o chaqueta Fluido de refrigeración Newtoniano

Tanques de burbujas

Caldos Newtonianos10^-3<μ(Kg/ms)<5x10^-2; Vg<0,1m/s D<1m (basada en el área transversal del tanque)

Caldos Newtonianos

Airlift

Caldos Newtonianosμb= (0,78-5,27)x10^-3 Kg/ms0,008<Vg<0,16m/s; 0,25<Aa/Ad>1,20Aa: Área del tubo ascendenteAd: Área del tubo descendenteEl valor de h varía desde 600-2400W/m2C

Nu=0,87∗ℜi0,62

∗Pr(1 /3)∗(

μbμw )

0,14

Nu=0,36∗ℜi0,67

∗Pr(1/3)∗(

μbμw )

0,14

h=9391V g0,25(

μbμw )

0,14

hρC pV g

=0,1∗(V g3∗ρ

μb∗g∗Pr2)

0,25

h=8710V g0,22 ( AaAd )

0,25

∗Pr−0,5

Ejemplo

Un fermentador agitado de 5m de diámetro contiene un serpentín interno para la trasmisión de calor. El fermentador contiene un rodete tipo turbina para la mezcla cuyo diámetro es de 1,8m y opera a 60rpm. El caldo de fermentación tiene las siguientes propiedades μb=5x10^-3Pa*s, densidad 1000Kg/m3, Cp=4,2KJ/Kg*°C, Kfb=0,70W/m*°C. Despreciando los cambios de viscosidad en pared del serpentín, calcular el coeficiente de transferencia de calor

Respuesta h=1,5KW/m2*°C

Un fermentador que se utiliza para la producción de antibiótico debe mantenerse a 27°C. El calor de reacción y la disipación de calor en el agitador es de 550KW. Se dispone de agua de refrigeración a 10°C y la temperatura de salida es de 25°C. El coeficiente de transferencia de calor para el caldo de fermentación es de 2150W/m2*C (calculado por correlación). El coeficiente de transferencia de calor para el agua refrigeración es de 1400W/m2*°C. Se propone instalar un serpentín de refrigeración helicoidal dentro del fermentador. El diámetro exterior de la tubería es de 8cm, el espesor de 5mm y la conductividad térmica del acero de 60W/m2*°C. Se espera un factor de ensuciamiento medio en el interior de 8500W/m2*°C mientras la superficie del serpentín del lado del fermentador se mantiene relativamente limpia. ¿Cuánto es la longitud de serpentín que se necesita?

Área superficial de un cilindro Ac=2πRLRespuesta: L=169.9m

Ejemplo

Reactor de tanque agitado

Generalmente, sólo el 70-80% del volumen del reactor se llena con líquido.El factor de forma, es decir, la relación entre la altura (H) y el diámetro (T) puede variar desde 2:1 hasta 6:1 dependiendo de la cantidad de calor a retirar.Los rodetes más utilizados son los tipo turbina, por ejemplo, tipo hélice, plana (Rushton) y disco. Diámetro del rodete (D), D=T/12.Distancia del fondo del tanque al rodete es T/3.Espesor de los bafles es T/12

Reactor de Columna de Burbuja

Usos industriales en la producción de levadura de panadería, cerveza, vinagre y en el tratamiento de aguas residuales.Factor de forma es común 3:1 y puede llegar hasta 6:1.

Tipos de Biorreactores

Reactor de Tanque Agitado (CSTR o FSTR) Reactor de columna de burbujas Reactor de tiro o de corriente de aire (Airlift)

Aeroelevadores o con elevación de aire Reactor fluidizado Reactor de lecho empacado Fotorreactores Otros.

Especificaciones de diseño

Requerimientos energéticos (calor) Reología: tiempo de mezcla, agitación,

tolerancia al estrés por cizalla, viscosidad del caldo y propiedades de flujo.

Satisfacer la demanda de oxígeno Otros (materiales de construcción, costos, etc.)

Flujo y mezcla de fluidos

Tipo de fluido Ejemplo

Newtoniano Todos los gases, dispersiones de gas en agua, líquidos de bajo peso molecular y soluciones acuosas de bajo peso molecular

No Newtonianos Slns de goma, de adhesivos, de polímeros, algunas grasas, suspensiones de almidón, acetato de celulosa, mayonesa, suspensiones de detergentes, algunas pulpas de papel, pinturas y fluidos biológicosPseudoplásticos

DilatantesAlgunas slns de harina de maíz y azúcar, almidón, polvo de hierro disperso en líquidos de baja viscosidad y agregados de cemento húmedo.

Plásticos de BinghamAlgunos fundidos de plásticos, margarina, grasas de cocina, algunas grasas, pasta de dientes, suspensiones de detergentes y algunas pulpas de papel

Plásticos de Casson Sangre, salsa de tomate, zumo de naranja, chocolate cocido y tinta de impresión.

Clasificación reológica

K ; esel índice de consistencia

γ velocidad de cizalla

n; índice de comportamient reológico

Cuando la viscosidad aparente aumenta con el tiempo se denomina un fluido reopéctico y cuando aumenta con el tiempo tixotrópico

Fluido

Newtoniano

Dilatante(Ley exponencial)

Psedoplástico(Ley exponencial)

PlástidoBingham

PlásticoCasson

Constante

Disminuye al aumentar la velocidad de

cizallamento

Aumenta al aumentar la velocidad de cizallamiento

Disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento

cuando sobrepasa ζo

Curva de flujo EcuaciónViscosidad aparente

Disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento

cuando sobrepasa ζo

Factores que afectan la viscosidad del caldo de fermentación

Concentración celular Morfología celular, incluyendo forma, tamaño y

masa Flexibilidad y deformabilidad de las células. Presión osmótica del fluido de la suspensión Concentración de sustratos polimérico Concentración del producto polimérico Velocidad de cizalla

Mezclado

Homogeneizar los componentes de la mezcla

Mejorar la trasmisión de calor

El equipo de mezcla más comúnmente utilizado son los tanques agitados.

Heurística de biorreactores agitados

HéliceAncla Turbina Rushton

Canalete Ancla de Reja Tornillo Helicoidal

Ejemplos de tipos de rodetes

Selección del rodete

Heurística de biorreactores agitados

Vis

cosi

dad

(cen

tipoi

ses)

Anc

las

Hél

ices

Tur

bina

s R

usht

on

Can

alet

es

Anc

las

de R

ejas

Torn

illos

Hel

icoi

dale

s

Cin

tas

Hel

icoi

dale

sTipo de Rodete

Heurística de biorreactores agitados

nd Wd J Di E S W L np

Turbina de disco 4 Dt/12 Dt/60 Dt/3 Dt/3 2Dt/3 Di/5 Di/4 6

Turbina Rushton 4 Dt/12 Dt/60 Dt/3 Dt/3 2Dt/3 Di/5 - 6

Hélice 4 Dt/10 0 Dt/3 Dt/3 2Dt/3 - - 3

Generalmente, sólo el 70-80% del volumen del reactor se llena con líquido.El factor de forma, es decir, la relación entre la altura (H) y el diámetro (Dt) puede variar desde 2:1 hasta 6:1 dependiendo de la cantidad de calor a retirar.Los rodetes más utilizados son los tipo turbina, por ejemplo, tipo hélice, plana (Rushton)nd: número de deflectoresWd: Ancho del deflectorS: distancia desde el agitador hasta el nivel de líquido.np: número de palas o paletas

Tiempo de mezclado

tm=4tc

Turbina RushtonPara Rei mayores a 5000

tm: tiempo de mezclatc: tiempo de circulaciónNi: velocidad de rotación del agitadorV: volumen de líquidoDi: diámetro del rodete

N i∗tm=1,54∗V

D i3

Potencia para el mezclado

Np: número de potencia1=Turbina Rushton2=Canalete3=Hélice marina

Potencia para el mezclado

Fluidos Newtonianos sin aireaciónRégimen laminar

Régimen turbulento

P=K 1∗ρ∗N i2∗D i

3

P=N p '∗ρ∗N i3∗Di

5

Tipo de rodete

Turbina RushtonCanaleteHélice marinaAnclaCinta helicoidal

Potencia para el mezclado

ℜi=N i∗Di

2∗ρμa

Fluidos no Newtonianos sin aireaciónPara fluidos pseudoplásticos

μa: viscosidad aparentek: constante para el tipo de rodete

γ=k∗N i

Tipo de rodete

Turbina RushtonCanaleteCanalete de palas curvadasHéliceAnclaCinta helicoidal

Potencia de mezclado

Pg: consumo de potencia con aireación

Po: consumo de potencia sin aireación

Fg: caudal volumétrico de gas

V: volumen de líquido

Wi: anchura de la pala del rodete

n: número de rodetes

Pt=n∗P